2025年大學(xué)《量子信息科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——量子信息傳輸?shù)碾[私保護(hù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子力學(xué)的哪個(gè)基本原理來(lái)保證密鑰分發(fā)的安全性？()A.量子疊加原理B.量子不可克隆定理C.海森堡不確定性原理D.量子隧穿效應(yīng)2.在BB84協(xié)議中，發(fā)射方選擇基向量的方式是？()A.隨機(jī)選擇，并與接收方預(yù)先約定B.固定使用水平基或垂直基C.隨機(jī)選擇，不與接收方共享基信息D.根據(jù)竊聽(tīng)者的行為動(dòng)態(tài)調(diào)整3.E91協(xié)議的安全性主要基于以下哪個(gè)原理？()A.量子不可克隆定理B.貝爾不等式C.量子糾纏D.量子隱形傳態(tài)4.以下哪項(xiàng)不是QKD系統(tǒng)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)？()A.傳輸距離受限B.密鑰生成速率低C.成本過(guò)高D.能夠抵抗所有類型的側(cè)信道攻擊5.量子測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵特性是它會(huì)不可避免地改變被測(cè)量的量子態(tài)。這對(duì)于QKD的安全性意味著什么？()A.竊聽(tīng)者可以完美復(fù)制量子態(tài)而不被察覺(jué)B.竊聽(tīng)者進(jìn)行測(cè)量時(shí)會(huì)干擾原始量子態(tài)，從而暴露其存在C.量子測(cè)量本身會(huì)破壞密鑰，使其無(wú)法使用D.量子測(cè)量無(wú)法在QKD系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)6.量子安全直接通信（QSDC）與QKD的主要區(qū)別在于？()A.QSDC不需要預(yù)先共享密鑰，而QKD需要B.QSDC傳輸?shù)氖墙?jīng)典信息，而QKD傳輸?shù)氖橇孔討B(tài)C.QSDC的安全性僅依賴于量子力學(xué)原理，而QKD需要后處理D.QSDC的密鑰率低于QKD7.量子不可克隆定理表述為：任何不可逆的、保真度的操作都不能精確復(fù)制一個(gè)任意的未知量子態(tài)。這直接啟示了？()A.量子計(jì)算機(jī)可以無(wú)限速計(jì)算B.量子加密是不可行的C.竊聽(tīng)者無(wú)法在不破壞原始信息的情況下復(fù)制信息D.量子通信只能用于短距離傳輸8.在量子密鑰分發(fā)的后處理階段，進(jìn)行數(shù)率測(cè)試的目的是什么？()A.計(jì)算最終可用的密鑰比特率B.檢測(cè)是否存在竊聽(tīng)行為C.校準(zhǔn)量子通信設(shè)備的參數(shù)D.提高密鑰的傳輸速度9.量子隱形傳態(tài)雖然也涉及量子態(tài)的傳輸，但其本身直接提供安全經(jīng)典密鑰分發(fā)的功能嗎？()A.是，它是QSDC的基礎(chǔ)B.不是，它需要與QKD結(jié)合使用C.不是，它主要用于傳輸量子態(tài)信息，而非密鑰D.是，只要使用貝爾態(tài)就能直接生成密鑰10.如果一個(gè)QKD系統(tǒng)聲稱能夠抵抗所有已知的側(cè)信道攻擊，那么它被認(rèn)為是安全的嗎？()A.是，因?yàn)樗泄舳急蛔柚沽薆.不一定，新的攻擊方法可能被發(fā)現(xiàn)C.是，只要系統(tǒng)通過(guò)了權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證D.不，安全性證明需要基于理論模型二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.量子密鑰分發(fā)利用了量子力學(xué)的基本原理，使得任何竊聽(tīng)行為都會(huì)不可避免地__________，從而保證安全性。2.BB84協(xié)議中，雙方隨機(jī)選擇的基礎(chǔ)有__________個(gè)。3.量子不可克隆定理表明，不可能精確復(fù)制一個(gè)__________的未知量子態(tài)。4.量子信道與經(jīng)典信道的主要區(qū)別在于量子信道中傳輸?shù)男畔⑤d體是__________。5.QKD系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)包括密鑰率、密鑰生存期和__________。6.為了對(duì)抗測(cè)量設(shè)備攻擊（MDA），通常需要在QKD系統(tǒng)后處理階段增加__________測(cè)試。7.量子安全直接通信（QSDC）允許在不預(yù)先共享密鑰的情況下，直接傳輸__________信息。8.量子測(cè)量的過(guò)程是不可逆的，一旦對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量，其原有的__________就被破壞了。9.量子糾纏是量子比特的一種特殊狀態(tài)，兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，都具有__________的關(guān)聯(lián)。10.除了量子密鑰分發(fā)，量子信息科學(xué)還在其他領(lǐng)域展現(xiàn)潛力，例如量子計(jì)算和__________。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述量子密鑰分發(fā)（QKD）的基本思想。它如何保證傳輸?shù)拿荑€是安全的？2.簡(jiǎn)要解釋海森堡不確定性原理是如何支撐QKD的安全性論證的。3.簡(jiǎn)述量子安全直接通信（QSDC）與基于QKD的密鑰預(yù)共享方案的主要區(qū)別。四、計(jì)算題（共15分）假設(shè)一個(gè)BB84協(xié)議的QKD系統(tǒng)，在理想條件下，使用單光子源，發(fā)射方和接收方成功探測(cè)到的單光子概率為90%，基匹配概率為50%。在密鑰提取的后處理階段，使用數(shù)率測(cè)試來(lái)檢測(cè)竊聽(tīng)，假設(shè)測(cè)試的虛警概率為1e-6。請(qǐng)計(jì)算：（1）在沒(méi)有竊聽(tīng)的情況下，每發(fā)送一個(gè)單光子對(duì)，平均能提取多少個(gè)密鑰比特？（提示：考慮基匹配和誤判）（2）如果存在竊聽(tīng)，導(dǎo)致基匹配概率下降到40%，那么平均密鑰比特率會(huì)下降到多少？簡(jiǎn)要說(shuō)明原因。五、論述題（10分）討論量子信息傳輸在隱私保護(hù)方面面臨的挑戰(zhàn)，并分析當(dāng)前主流的量子保密通信技術(shù)（如QKD、QSDC）是如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.D5.B6.A7.C8.B9.C10.B二、填空題1.破壞原始量子態(tài)2.43.任意4.量子態(tài)（或單光子等）5.安全性強(qiáng)度（或安全性）6.數(shù)率7.經(jīng)典8.信息（或量子態(tài)）9.獨(dú)立（或內(nèi)在）10.量子隱形傳態(tài)三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先說(shuō)明QKD利用量子力學(xué)原理（不可克隆定理、測(cè)量擾動(dòng)原理）。然后闡述基本流程：密鑰生成（如BB84協(xié)議，發(fā)射方隨機(jī)選擇基并發(fā)送量子態(tài)，接收方隨機(jī)測(cè)量，雙方公開(kāi)約定基，比對(duì)結(jié)果為密鑰；竊聽(tīng)會(huì)擾動(dòng)量子態(tài)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤）。最后點(diǎn)明安全性：任何竊聽(tīng)行為都會(huì)不可避免地引入錯(cuò)誤，通過(guò)后處理（如比較誤碼率）可以檢測(cè)出竊聽(tīng)。答案要點(diǎn)：QKD利用量子力學(xué)原理（如不可克隆定理、測(cè)量擾動(dòng)）實(shí)現(xiàn)密鑰安全分發(fā)?；玖鞒贪ǎ喊l(fā)射方隨機(jī)選擇基（如H/V或D/A）發(fā)送量子態(tài)，接收方隨機(jī)測(cè)量，雙方公開(kāi)約定使用的基，將匹配的測(cè)量結(jié)果作為密鑰。竊聽(tīng)者若試圖測(cè)量，會(huì)不可避免地干擾量子態(tài)，導(dǎo)致接收方測(cè)量結(jié)果與發(fā)射方發(fā)送的態(tài)不一致。通過(guò)后處理比較誤碼率，可以檢測(cè)出竊聽(tīng)，從而保證密鑰安全。2.解析思路：首先解釋海森堡不確定性原理（測(cè)量一個(gè)物理量會(huì)不可避免地改變另一個(gè)相關(guān)聯(lián)的未測(cè)量量，且兩者不可同時(shí)精確測(cè)量）。然后將其應(yīng)用于QKD場(chǎng)景：假設(shè)存在竊聽(tīng)者，他必須測(cè)量傳輸?shù)牧孔討B(tài)來(lái)獲取信息。根據(jù)不確定性原理，竊聽(tīng)者的測(cè)量必然會(huì)以某種方式（例如改變偏振態(tài)、光子數(shù)量等）擾動(dòng)原始量子態(tài)。這種擾動(dòng)會(huì)傳遞給合法的接收方，導(dǎo)致接收方的測(cè)量結(jié)果與發(fā)射方發(fā)送的態(tài)存在偏差。通過(guò)后處理（如統(tǒng)計(jì)基匹配后的誤碼率）可以檢測(cè)到這種異常偏差，從而發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)行為。答案要點(diǎn)：海森堡不確定性原理指出，測(cè)量一個(gè)量子態(tài)的某個(gè)可觀測(cè)量（如偏振方向）會(huì)不可避免地改變其另一個(gè)相關(guān)聯(lián)的可觀測(cè)量（如另一個(gè)偏振分量），且無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量一對(duì)關(guān)聯(lián)量。在QKD中，竊聽(tīng)者若要測(cè)量傳輸?shù)牧孔討B(tài)以獲取信息，其測(cè)量行為必然會(huì)根據(jù)不確定性原理干擾該量子態(tài)。這種干擾會(huì)體現(xiàn)在接收方收到的量子態(tài)上，導(dǎo)致接收方測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)異常（如誤碼率升高）。通過(guò)后處理檢測(cè)這種異常，即可發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)，保障安全。3.解析思路：首先說(shuō)明QKD通常需要預(yù)先在通信雙方之間安全地分發(fā)一個(gè)經(jīng)典密鑰（或共享一個(gè)秘密密鑰），然后用這個(gè)密鑰對(duì)經(jīng)典信息進(jìn)行加密傳輸。然后說(shuō)明QSDC的設(shè)計(jì)目標(biāo)是不需要預(yù)先共享密鑰，直接傳輸加密的經(jīng)典信息，密鑰在傳輸過(guò)程中生成并一同銷毀。答案要點(diǎn)：基于QKD的方案通常需要預(yù)先通過(guò)經(jīng)典信道安全地建立一個(gè)共享的密鑰，再用此密鑰加密傳輸經(jīng)典信息。而QSDC的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在傳輸經(jīng)典信息的同時(shí)，生成并使用一次性密鑰，無(wú)需預(yù)先共享密鑰。QSDC利用單光子態(tài)和量子測(cè)量干涉效應(yīng)直接實(shí)現(xiàn)加密傳輸，信息的發(fā)送和密鑰的生成是同時(shí)完成的，信息傳輸完成后密鑰也隨之消失。四、計(jì)算題（1）解析思路：計(jì)算密鑰比特率需要考慮探測(cè)概率、基匹配概率以及每個(gè)比特的生成過(guò)程。成功探測(cè)到一個(gè)單光子對(duì)，有50%的概率使用了匹配的基。如果基匹配，且成功探測(cè)到光子，那么這個(gè)比特就是正確的。計(jì)算平均比特?cái)?shù)需要考慮探測(cè)成功率和基匹配率。平均比特率=探測(cè)成功率*基匹配概率。答案：P探測(cè)=0.9,P基匹配=0.5。平均密鑰比特率=P探測(cè)*P基匹配=0.9*0.5=0.45比特/單光子對(duì)。（2）解析思路：在存在竊聽(tīng)導(dǎo)致基匹配概率下降的情況下，重新計(jì)算基匹配成功后的有效比特率。由于基匹配概率下降（變?yōu)?.4），即使探測(cè)成功且光子被接收，正確匹配并生成可用密鑰比特的概率也相應(yīng)降低了。因此，平均密鑰比特率會(huì)直接按照新的基匹配概率進(jìn)行折算。計(jì)算結(jié)果會(huì)顯著低于理想情況。答案：新的P基匹配=0.4。存在竊聽(tīng)時(shí)的平均密鑰比特率≈P探測(cè)*新P基匹配=0.9*0.4=0.36比特/單光子對(duì)。原因：竊聽(tīng)行為導(dǎo)致發(fā)射方和接收方之間約定的基匹配概率下降，使得即使光子成功傳輸并被接收，正確生成密鑰比特的概率也隨之降低，從而顯著降低了平均密鑰比特率。五、論述題解析思路：首先識(shí)別量子信息傳輸（特別是保密通信）面臨的主要挑戰(zhàn)：如何確保信息在傳輸過(guò)程中不被竊聽(tīng)或泄露？經(jīng)典加密方法的局限性（密鑰分發(fā)困難、易受計(jì)算破解）。然后分別闡述QKD和QSDC如何利用量子力學(xué)原理應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。QKD通過(guò)量子密鑰分發(fā)解決密鑰安全分發(fā)問(wèn)題，利用量子不可克隆和測(cè)量擾動(dòng)原理保證密鑰安全，竊聽(tīng)可被檢測(cè)。QSDC則嘗試直接實(shí)現(xiàn)加密傳輸，無(wú)需預(yù)分密鑰，利用量子態(tài)特性（如單光子、干涉）實(shí)現(xiàn)信息與密鑰的同步生成與銷毀。最后可以簡(jiǎn)要討論當(dāng)前技術(shù)的局限性和未來(lái)發(fā)展方向。答案要點(diǎn)：量子信息傳輸在隱私保護(hù)方面面臨的主要挑戰(zhàn)是如何在信息傳輸過(guò)程中確保其機(jī)密性，防止竊聽(tīng)和未授權(quán)訪問(wèn)。傳統(tǒng)的經(jīng)典加密方法依賴于安全地分發(fā)密鑰，但這在長(zhǎng)距離或開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)中存在困難，且密鑰本身可能被破解。量子保密通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，提供了新的解決方案。QKD（量子密鑰分發(fā)）利用量子力學(xué)的基本原理（如不可克隆定理、海森堡不確定性原理）來(lái)實(shí)現(xiàn)安全密鑰分發(fā)。它允許通信雙方在經(jīng)典信道上生成一個(gè)共享的隨機(jī)密鑰，同時(shí)利用量子信道傳輸量子態(tài)，使得任何竊聽(tīng)行為都會(huì)不可避免地?cái)_動(dòng)量子態(tài)，從而在接收端引入可檢測(cè)的錯(cuò)誤。通過(guò)后處理，雙方可以確認(rèn)密鑰的安全性，并使用該密鑰加密后續(xù)的經(jīng)典信息傳輸。QKD解決了經(jīng)典密鑰分發(fā)困難的問(wèn)題，并提供了抗計(jì)算攻擊的理論安全性。QSDC（量子安全直接通信）則嘗試在不預(yù)先共享密鑰的情況下，直接傳輸加